solidificación

Los electrones en una película ultralimpia de arseniuro de galio se comportan como una multitud en una encrucijada donde la dirección la marca la inclinación del campo magnético. Con inclinación cero, forman un líquido compresible de fermiones compuestos, partículas formadas por un electrón y un par de vórtices.

En la cámara oscura de la trampa, miles de partículas cargadas danzan bajo los campos eléctricos. Al principio se mueven libremente, como una multitud en una plaza, pero en cuanto se enfría la nube, la danza se ralentiza: los iones empiezan a sentirse entre sí, sus pasos se vuelven rígidos.

Un lago en sequía no se vacía de inmediato. Primero aparecen en la superficie islotes de tierra firme, que se expanden, se fusionan, y solo después el agua abandona el lecho expuesto. De manera similar se comporta un cristal de mirabilita cuando pierde agua: en su superficie aparecen manchas circulares de sal anhidra que crecen en anchura y luego comienzan a profundizarse.

Una gota de agua con sal disuelta se seca sobre una mesa. La sal no se deposita en cualquier lugar: primero aparecen cristales en el borde, formando un anillo, como los posos del café en el fondo de una taza. Este comportamiento lo conoce cualquiera que haya visto la marca de una gota seca. Pero, ¿qué ocurre si en la gota viven bacterias que saben nadar?

En una sala enorme hay bolas de billar esparcidas. Al principio están dispersas, cada una por su cuenta. Luego alguien añade más, y de repente las bolas se comprimen en grupos densos. Esto es una transición de fase: el momento en que la materia cambia bruscamente de estado.

En el agua enfriada a –40 °C ocurre una pausa paradójica: el hielo hexagonal perfecto no tiene prisa por nacer. En lugar de eso, se forma una estructura desordenada con incrustaciones de capas cúbicas: una verdadera cuna para la simetría futura, llena de desorden pero ya cargada con una arquitectura oculta.

Una estrella de neutrones es una ciudad comprimida hasta el tamaño de una metrópolis, donde la materia está densificada al límite. En el mismo centro de esa ciudad puede comenzar una remodelación: los neutrones y protones habituales ceden su lugar a un plasma de quarks, los quarks libres que componen casi todo lo que nos rodea.

El diamante es símbolo de perfección, pero su verdadera magia se revela a través de las imperfecciones. La pureza ideal de la red otorga transparencia y dureza, mientras que los defectos —como los centros de color— abren un portal al mundo cuántico, convirtiéndose en la base de computadoras cuánticas y…

La historia comenzó con la escasez de masa. En los años 1930, Fritz Zwicky, midiendo velocidades en cúmulos de galaxias, fue el primero en sospechar la presencia de materia invisible. Más tarde, Vera Rubin mostró que los bordes de las galaxias espirales giran demasiado rápido para la materia visible.

Los refrigeradores y aires acondicionados actuales que utilizan freones envenenan la atmósfera de forma casi invisible. La alternativa son los materiales calóricos sólidos, que se enfrían por un cambio rápido de presión gracias al efecto barocalórico.

Si se comprime agua entre dos cristales de modo que solo quepan dos capas de moléculas, se convierte en algo intermedio entre líquido y hielo. A temperatura ambiente, las moléculas en esa trampa aún se mueven, pero ya se alinean formando una especie de red cristalina.

El hielo común, a temperaturas muy bajas y altas presiones, no se derrite, sino que se transforma en otra sustancia sólida: igualmente amorfa (sin forma), pero mucho más densa. Durante mucho tiempo, nadie pudo entender qué sucede exactamente en el momento en que el hielo de baja densidad comienza a volverse denso.

Un cocinero vierte jarabe de azúcar caliente sobre una mesa fría y este se solidifica en cristales. Así es como los ingenieros imaginaban la solidificación del metal: el líquido se convierte directamente en un conjunto de granos cristalinos. Pero una filmación en primer plano mostró que entre lo líquido y lo sólido se intercala otra etapa.

Una olla con agua en la cocina: cuanto más caliente está el fuego, más rápido el hielo se convierte en agua y el agua en vapor. El calor destruye el orden. Pero a veces la naturaleza hace un truco: el calor hace que un líquido se congele, como un charco en una helada.

El plutonio es un metal con carácter. Una de sus formas se contrae al enfriarse, otra se hincha. Pero a temperatura ambiente la aleación se comporta de manera extraña: la regla dice una cosa y los rayos X dicen otra. La regla indica que la muestra apenas crece, mientras que los rayos X ven cómo los átomos de la red cristalina se separan cada vez más.

En un trozo sólido de aleación de estaño y plomo, las capas de los dos metales están apiladas como las páginas de un libro. Al calentar desde un lado, las capas no se funden de manera uniforme, sino con lenguas y dedos caprichosos.

Sobre una estrella de neutrones —el residuo superdenso de una estrella que explotó— cae gas. Este gas se acumula en los polos magnéticos y forma una montaña. Pero una montaña en una estrella de neutrones no se parece a una terrestre: no la sostiene la roca, sino las líneas de fuerza del campo magnético, como limaduras de hierro sobre un imán.

Dos motas diminutas de polvo flotan en el cruce de rayos láser. Cada una se sostiene con sus propias «pinzas»: un haz enfocado que impide que la partícula caiga. Dentro de una cavidad de espejos, la luz rebota entre las paredes y sus oscilaciones se acoplan al temblor de las motas.

El vidrio de una ventana común parece congelado para siempre, pero en su interior los átomos nunca están quietos. En el telururo de germanio amorfo (GeTe), un material que se usa en discos regrabables y memorias no volátiles, los físicos han rastreado por primera vez de forma directa cómo los enlaces atómicos se estiran y se doblan en billonésimas de segundo.

Las moléculas en una solución se comportan como una multitud en una plaza: pueden empujarse sin orden, o alinearse en filas perfectas. La solución acuosa de cromoglicato de disodio es un conocido modelo de cristales líquidos cromónicos, donde esas "filas" surgen espontáneamente. Pero si se ilumina la solución con luz ultravioleta, el orden se derrumba: las moléculas comienzan a fragmentarse.

El hielo se escapa bajo la cuchilla del patín, como una pastilla de jabón entre las manos mojadas. Durante cien años, los científicos discutieron de dónde viene esa resbalosidad. Unos decían: ya hay una fina capa de agua en la superficie, que actúa como lubricante. Otros objetaban: el agua aparece solo cuando empiezas a moverte, por la fricción.

El hielo en una sartén caliente no solo se derrite: también se mueve. Debajo se forma una fina capa de agua y el trozo se desliza como si estuviera engrasado. La velocidad de ese deslizamiento depende de la rapidez con la que el calor atraviesa la película de agua y de la inclinación de la pendiente.

Las células en la superficie del embrión se asemejan a granos de arroz que pueden alinearse en una misma dirección. Este orden se denomina nemático. Surge cuando las células comienzan a actuar de manera coordinada, como un banco de peces que nada en una sola dirección.

El agua en una cacerola no hierve al calentarse, sino que se convierte en hielo. Algo así ocurre con los átomos ultrafríos en una red óptica: una rejilla cristalina de luz que mantiene a los átomos en su lugar. Los científicos simularon este sistema en una computadora para entender cómo cambia el orden al aumentar la temperatura.

Una gota de agua con partículas diminutas se seca sobre la mesa. El agua se evapora, las partículas quedan y se organizan en un patrón, como la arena después de la marea baja. Pero si las partículas son blandas, el patrón resulta completamente diferente.

Un cristal que por dentro parece una esponja con un laberinto de poros resultó capaz de realizar cálculos. El material, llamado DUT-8, está formado por nodos metálicos y conectores orgánicos que crean una red calada. Bajo la acción de diferentes gases, esta red cambia ligeramente de forma, como un castillo de naipes que se reacomoda con un leve soplo.

En un superconductor, la corriente eléctrica fluye sin pérdidas, como el agua por una tubería perfectamente lisa. Pero si se coloca este material en un campo magnético, aparecen vórtices en su interior: pequeños remolinos donde la superconductividad se destruye.

Una gota de café sobre la mesa se seca y deja un anillo: las partículas de café se acumulan en el borde. Si en la gota flotan nanopartículas cargadas, el panorama se enriquece: el sedimento se agrieta como barro en un charco seco. Los físicos estudiaron cómo la carga de las partículas y la superficie sobre la que se seca la gota modifican estas grietas.

En un vaso de refresco, las burbujas suben alegremente hacia la superficie. Pero si congelas el agua, algunas burbujas quedan atrapadas en el hielo. ¿Cómo llegan allí? El hielo crece empujando el gas, pero no siempre tiene tiempo de hacerlo.

Los electrones en un conductor normalmente se comportan como un gas: se mueven caóticamente, chocan entre sí y no mantienen ningún orden. Pero si se los separa lo suficiente y se enfrían mucho, la repulsión mutua puede hacer que se coloquen en sus puestos, como los asistentes a un teatro lleno que se sientan dejando un asiento vacío entre ellos.

La forma habitual de congelar una célula viva se parece a intentar ponerle un traje espacial: primero hay que introducir la sustancia protectora, pero mientras esta atraviesa la membrana, la célula puede reventar por el cambio de sales o intoxicarse con la química.

Un fino chorro de agua fluye por una tabla fría e inclinada y se convierte en una cresta de hielo ante nuestros ojos. Primero, el agua se abre un camino recto de hielo, como si ella misma reforzara sus orillas. Luego, el arroyo comienza a serpentear y el hielo se extiende rápidamente hacia los lados.

Un cuerpo supersólido es hielo que fluye. Como un estanque cubierto por una costra, pero con una profundidad líquida sin fricción. Normalmente, esa costra se crea alterando las propiedades de todo el líquido. Un grupo de investigadores del helio encontró un método más sencillo: hicieron vibrar la superficie con ondas especiales, y el líquido adquirió por sí mismo una «piel» sólida.

Las rocas lunares trajeron un enigma: su edad es de 4.35 mil millones de años, pero la Luna misma debería haber aparecido 150 millones de años antes. El tiempo perdido está oculto en el calentamiento por mareas.

En una habitación oscura, un rayo láser dibuja un punto brillante en la pared. La luz parece algo cálido e incontrolable, pero los físicos llevan tres décadas usándola como una batuta de director, haciendo que los átomos bailen al unísono.